雷电与人工引雷.doc

第一章 导 论 本章简述人类对雷电现象的认识、防雷技术的发展及人工引雷技术和有关研究方法。较详细的讨论在后面有关的章节展开。 1.1 雷电现象的研究与重要发现 闪电，俗称雷电，是自然大气中的超强、超长放电现象。对地闪电的峰值电流一般为几万安、亦可超过10万安。闪电放电一般长几公里，也可见到长数十公里，甚至有400公里长的云放电。闪电放电是一种瞬时放电过程。整个完整过程持续一般不到1秒钟。闪电放电的可见部分（云外）一般呈现多分叉的现象。闪电放电一般产自雷雨云（即雷暴、雷暴云或积雨云）。闪电还呈现明显的发光闪烁性。另外，闪电的出现时间与地点呈现出随机性。以上这些特征中的大部分早已为人类熟知。其中，雷电是放电这一点，是在约250年前人类初步认识了电的富兰克林时代开始确定的。对雷电的科学观测与一些发现主要集中在20世纪，而且与技术进展紧密相关。图1-1为对地闪电（见彩图插页），可见通道的向下分叉如根须状，明显亮的接地分枝即为地闪的主放电（回击）通道。图1-2是另一种地闪（见彩图插页）。它显示出一次地闪的多接地现象。统计说明一次多回击地闪中相邻击地点可相距达七八公里左右。而相邻闪电的击地点可相距十五六公里。这就是说，一听到雷声，那么，下一次雷击就有可能打到身上。图1-3是同一雷雨云的相邻两次对地闪电（见彩图插页）。云闪通道的走向偏水平方向，而地闪则偏垂直于地面。 这些静止影像记录已存在一个多世纪，它所能提供的信息大致也就是存留于人们脑海中的情景，它使人类意识到雷电过程的复杂性。迄今，它们的一些细节仍然无法解释。但它们又是人类试图解释雷电过程的基础资料。 摄影技术及感光材料的进步以及电测技术的发展深化了人类对雷电的认识。移动曝光技术的引入导致雷电发光的时延性，即发光在几何上有个发展过程，并确立了闪烁的过程：间断而重复发光，在间断时间长到人的视觉残留时间时，人开始感觉闪烁。20世纪初期，感光材料的改进及特种高速摄影机的发明（Boys，1926，1928，1929），以更高时间的分辨率的摄影揭示了对地闪电（云对地闪电，简称地闪或俗称落地雷）的发展过程，揭示了先导过程、连接过程与由地向云的回击过程（主放电过程）（有关定义与说明请参阅第三、四章）。进一步，还揭示了对地放电有好几种形式。有关这方面的工作，可参阅Schonland等在30年代的一系列文章。Schonland等（1934；1935；1938a，b，c）分析总结了在南非对闪电的观测结果，他们的工作使人们对地闪放电过程的认识有了突破性的进展。几十年来，在过程的描述上有不少进展。但是，迄今对于云中放电的起始和发展，对于长度超过几十米的一系列放电过程，对于接地的连接过程及对于回击过程发展的物理说明等等谜团，还有待研究的进一步开展去逐步展开。 另一方面，Wilson（1916，1920）在英国对雷暴做的地面大气电场测量，第一次揭示了雷暴的偶极结构。人们开始把雷暴看成是一发电机。Wilson还提出，已观测到的地面电场是全球雷暴活动的结果。所谓全球电路（见第二章）构思即由此产生。在构成这一当今已为学术界所普遍接受的概念过程中，大量不同地理位置的电场测量（如有名的Carnegie资料，Sverdrup，1927）既启发了思路又提供了证据。 由此，雷暴作为雷电的源，在几十年中吸引了许多研究人员的注意。研究焦点之一是起电机制，即通过什么样的过程产生了强烈的电荷分离。迄今，有许多起电机制被引入作为说明雷暴如何分电（起电），并可达足够的强度以产生闪电。但是，没有一种起电机制能够给出完全令人满意的答案。在20世纪70年代，关于起电机制的讨论高潮后（Moore，1974；Masn，1976；Moore，1976），已经使大家清楚地认识到：事实上，实际的起电是十分复杂的。目前，人类还没有能力系统地实地测量云中情况，室内实验还没有达到真实无误并全面地模拟云中实况。在这种情况下，虽然有一些工作在继续，在实质上却因为探测及模拟手段的缺乏，80年代以来并无大的进展。关于起电机制的真正突破还有待于测量方法的改善。目前，甚至对于云中电荷也只有一个大概的分布图像，其细微结构还不清楚，甚至我们不知道的电荷的主要荷载体是什么。主要的电荷是在水凝物上，还是以较小的离子形式存在？初始的放电是出自于某一极性电荷区，还是基本上发自于两种极性区？这都是目前尚无法明确回答的问题。 近几十年地面观测的主要成果只是搞清楚了：在雷暴中，负电荷区存在于环境温度为-5~ -15℃的区域中，而主要的正电荷散步于云中更高的区域。任何一种起电机制必须要能完善地说明这一点。如果云的垂直发展不够强，达不到相应的高度，那么，起电就很弱，一般不会有雷电活动（Krehbiel，1983）。 由于微电子技术和光电技术的发展，地面观测自70年代中